Verbundwärmebehandlung von Magnesiumlegierungen der AZ-Serie und ihr Verstärkungs- und Zähigkeitsmechanismus
Magnesiumlegierungsbleche der AZ-Serie werden häufig in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet, und die Morphologie und Menge der Verstärkungsphase Mg17Al12 haben einen wichtigen Einfluss auf die Formbarkeit des Blechs. Die gewalzten Magnesiumlegierungsbleche AZ31, AZ61 und AZ91 wurden 5 Stunden lang bei 300 °C geglüht, 6 Stunden lang kryogen mit flüssigem Stickstoff behandelt, 18 Stunden lang bei 160 °C gealtert und verschiedenen Verbundwärmebehandlungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptverfestigungsmechanismen der Magnesiumlegierungen der AZ-Serie im Walzzustand die Festigung der festen Lösung und die Versetzungsverfestigung sind und dass das Material eine hohe Festigkeit und eine schlechte Plastizität aufweist. Die langen Körner brechen unter der Temperaturbelastung der kryogenen Behandlung, das Streckgrenzenverhältnis des Materials nimmt ab, der Kaltverfestigungsindex steigt, aber die Plastizität nimmt nicht wesentlich zu; Nach Glühen, kryogener Wärmebehandlung und Alterungswärmebehandlung steigt der Kaltverfestigungsindex. Eine große Anzahl fein verteilter und ausgefällter zweiter Phasen in der Korngrenze und im Korn begünstigt die Entstehung verschiedener Gleitsysteme während der Verformung, was die gleichmäßige Verformungsfähigkeit des Materials verbessert, die Festigkeit erhöht und das Verhältnis von Streckgrenze zu Festigkeit weiter verringert. Die Verarbeitung ist günstig.
Die AZ-Serie ist derzeit eine der am häufigsten verwendeten Magnesiumknetlegierungen. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit, spezifische Steifigkeit und Stoßdämpfung. Es wird häufig in Automobilen, in der Elektronik und in der medizinischen Versorgung eingesetzt. Magnesiumlegierungen haben jedoch eine dicht gepackte hexagonale Struktur und weisen bei Raumtemperatur eine schlechte plastische Verformungsfähigkeit auf. Normalerweise müssen sie nach dem Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur plastisch verarbeitet werden und weisen eine starke Anisotropie auf. Magnesiumlegierungen der AZ-Serie sind weit verbreitete Magnesiumlegierungen. Da es sich bei ihrer Kristallstruktur um eine dicht gepackte hexagonale Struktur handelt, ist die wichtigste zweite Phase in Magnesiumlegierungen der AZ-Serie Mg17Al12 mit bcc-Struktur. Die Leistung hat einen großen Einfluss. Die Mg17Al12-Phase fällt hauptsächlich an den Korngrenzen und innerhalb der Körner aus. Die Verbesserung der plastischen Formbarkeit von Magnesiumlegierungsblechen ist die Schlüsselrichtung der Magnesiumlegierungsforschung.
Die Feststofflöslichkeit von Al in Magnesiumlegierungen beträgt bei Raumtemperatur etwa 2 %, aber bei 437 °C kann die maximale Feststofflöslichkeit etwa 12,5 % erreichen, was einen starken Festlösungsverfestigungseffekt hat und auch die Möglichkeit zur Ausfällung der zweiten Phase bietet. Mit sinkender Temperatur nahm die Feststofflöslichkeit weiter ab. Unter der Bedingung einer kryogenen Behandlung bei -150 °C fördert die Änderung der Feststofflöslichkeit und die Volumenschrumpfung die Ausfällung der zweiten Phase. Obwohl es viele Berichte über den Wärmebehandlungsprozess von Magnesiumlegierungsblechen gibt, gibt es nur wenige Berichte über die Verbundwärmebehandlungsmethode von Magnesiumlegierungsblechen. In der Anfangsphase wurden die Magnesiumlegierungen AZ31, AZ61 und AZ91D als Forschungsobjekte verwendet und sie wurden geglüht, einer kryogenen Behandlung und einer Alterungsbehandlung unterzogen, um die Auswirkung verschiedener Wärmebehandlungsprozesse auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen zu untersuchen. Auf dieser Grundlage analysiert dieses Thema hauptsächlich den Einflussmechanismus seiner Leistungsverbesserung durch die Mikrostruktur mit dem Ziel, eine Referenz für die Erweiterung der Umformung und Anwendung von Magnesiumlegierungsblechen bereitzustellen.
1 Testmaterialien und -methoden
Die Testmaterialien sind drei Arten von Magnesiumlegierungsblechen, AZ31 (0,5 mm), AZ61 (0,5 mm) und AZ91D (0,55 mm), im gewalzten Zustand, und die Walztemperatur beträgt 280 °C. Die chemischen Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die drei Materialien wurden 5 Stunden lang bei 300 °C in einem Wärmebehandlungsofen geglüht, und die geglühten Bleche wurden sofort für 6 Stunden einer kryogenen Behandlung in einen Behälter mit flüssigem Stickstoff getaucht, und die kryogen behandelten Bleche wurden 18 Stunden lang bei 160 °C gealtert. Die wärmebehandelten Proben wurden mit Zahnschienen eingelegt, mit Sandpapier geschliffen, mechanisch poliert und mit Pikrinsäure geätzt, und schließlich wurde die metallografische Beobachtung durchgeführt. Die Fällungsphase und die Mikrostruktur wurden mittels Rasterelektronenmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop analysiert und die Zugeigenschaften bei Raumtemperatur getestet.
2 Analyse der Testergebnisse
2.1 Optische metallografische Analyse
Abbildung 1 zeigt die metallografische Mikrostruktur der Magnesiumlegierung AZ61 im gewalzten Zustand und unter verschiedenen Verbundwärmebehandlungsbedingungen. Es ist zu erkennen, dass die Körner im Walzzustand gebrochen und entlang der Walzrichtung gedehnt sind. Nach dem 5-stündigen Glühen bei 300 °C sind die Körner relativ regelmäßig, und nach der Kryobehandlung sind die Körner offensichtlich verfeinert. Anhand der 6 Stunden lang kryogen behandelten Kristallkörner ist deutlich zu erkennen, dass die großen Körner in kleine Körner zerbrochen werden und der Grad der Mikrostrukturverfeinerung relativ groß ist. , die durchschnittliche Korngröße änderte sich von 36 μm vor der kryogenen Behandlung auf 23 μm und eine große Anzahl zweiter Phasen wurde während des Glühens + der kryogenen Behandlung + der Alterungsbehandlung ausgefällt. Nach dem Walzen befinden sich im Inneren des Materials feine Körner. Durch den Abkühlungseffekt während der kryogenen Behandlung entsteht im Inneren des Materials eine große Temperaturspannung, die Spannung wird konzentriert, die schlanken Körner brechen leicht und es entstehen kleine Körner mit geraden und durchgehenden Korngrenzen. Körner und Zwillingsbildung, aber es hat nur geringe Auswirkungen auf kleine Körner, was mit den Forschungsergebnissen von Chen Jinqiu et al. übereinstimmt. und Yi Dingguo et al.
Der Gehalt an Al-Element in der Magnesiumlegierung AZ61 ist relativ hoch. Nach der kryogenen Behandlung nimmt die Löslichkeit des Al-Elements in übersättigter fester Lösung in der Matrix ab, aber die niedrige Temperatur schwächt auch die Diffusionsfähigkeit des Al-Elements, so dass durch die kryogene Behandlung die Partikel der zweiten Phase nicht mehr gebildet werden. Nach der Alterungsbehandlung werden die Partikel der zweiten Phase jedoch in großen Mengen aus dem Korn und der Korngrenze ausgefällt. Es ist ersichtlich, dass die durch die kryogene Behandlung erzeugten inneren Spannungen und Mikrostrukturveränderungen Bedingungen und Orte für die Ausfällung der zweiten Phase während der Alterungsbehandlung schaffen.
Abb.1 Metallografische Struktur der Magnesiumlegierung AZ61
(a) Im gewalzten Zustand (b) 5 Stunden bei 300 °C geglüht, ohne Kryobehandlung (c) 5 Stunden bei 300 °C geglüht, 6 Stunden Kryobehandlung (d) 5 Stunden bei 300 °C geglüht, 6 Stunden Kryobehandlung und Alterungsbehandlung
2.2 Analyse der mechanischen Eigenschaften
An Magnesiumlegierungsblechen mit unterschiedlichen Behandlungen wurden Zugversuche bei Raumtemperatur durchgeführt, um deren mechanische Eigenschaften zu ermitteln. Die Zugproben sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven nach der Alterungsbehandlung sind in Abbildung 3 dargestellt, und das Streckgrenzenverhältnis und die Änderungen des Dehnungsindex sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 2 Abmessungen des Zugversuchsstücks
Die Streckgrenze der geglühten und kryogen behandelten AZ61-Magnesiumlegierung nahm im Vergleich zu der der unbehandelten Legierung ab, das Streckgrenzenverhältnis nahm ab und die plastische Verformung war stabil. Die Dehnung der geglühten und kryogen behandelten Proben nach dem Glühen war verbessert und die Zugfestigkeit nahm im Vergleich zu den unbehandelten Proben leicht ab.
Die Dehnung der AZ61-Magnesiumlegierung stieg durch Verbundwärmebehandlung von 3,3 % auf 12,3 %, und die Zugfestigkeit des Materials verringerte sich nicht wesentlich, von unbehandelten 355 MPa auf 312 MPa, und das Streckgrenzen-Verhältnis verringerte sich. Dies liegt daran, dass die innere Spannung und die elastische Energie des Materials durch den Abkühleffekt erzeugt werden und die elastische Energie als treibende Kraft für die Ausfällung der zweiten Phase genutzt werden kann, was die Ausfällung einer großen Menge der zweiten Phase nach der Alterungsbehandlung fördert. Die Partikel der zweiten Phase behindern die Versetzungsbewegung und gleichzeitig werden die Legierungen während des plastischen Verformungsprozesses verzwillingt, was wiederum das Versetzungsgleiten fördert. Gleichzeitig brechen einige Körner unter der Einwirkung innerer Spannungen oder einige drehen sich in die Richtung, die der Verformung förderlich ist, was die Verformungsfähigkeit von Magnesiumlegierungen erheblich verbessert.
Nach der Verbundwärmebehandlung nimmt die Zugfestigkeit der Magnesiumlegierung AZ91D im Vergleich zu der der unbehandelten Probe nicht wesentlich ab, und die anderen Behandlungsmethoden nehmen alle um etwa 50 MPa ab. Während der Verbundwärmebehandlung steigt die Dehnung von 3,2 % auf 9,6 %, was den größten Anstieg darstellt, und die Festigkeit bleibt garantiert stabil. Dies ist auf den hohen Al-Gehalt in der Magnesiumlegierung AZ91 zurückzuführen, der zur Ausfällung und Dispersion einer großen Anzahl zweiter Phasen führt, was die Bewegung von Versetzungen behindert, die Einleitung des Versetzungsgleitens fördert und die Verformbarkeit des Materials verbessert.
(a) AZ31-Magnesiumlegierung
(b) AZ61-Magnesiumlegierung
(c) AZ91D-Magnesiumlegierung
Abb.3 Spannungs-Dehnungs-Kurven von drei Arten von Magnesiumlegierungen nach der Alterungsbehandlung
(a) Variation des Streckgrenzen-Verhältnisses (b) Variation des Kaltverfestigungsexponenten
Abb.4 Änderungen des Streckgrenzenverhältnisses und des Kaltverfestigungsexponenten von Magnesiumlegierungen nach verschiedenen Wärmebehandlungen
Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass die Hauptverfestigungsmechanismen der drei Magnesiumlegierungen ohne jegliche Behandlung (gewalzter Zustand) die Kornfeinungsverstärkung und die Versetzungsverstärkung sind. Der Kaltverfestigungsexponent n ist groß, aber das Streckgrenzenverhältnis ist ebenfalls groß. Infolgedessen ist die Dehnung des Materials sehr gering. Der Verfestigungsmechanismus der Proben ändert sich nach verschiedenen Wärmebehandlungen nicht, und der Hauptmechanismus ist die Festlösungsverfestigung. Mit zunehmender Niederschlagsphase trat jedoch allmählich der Effekt der Niederschlagsphase auf. Der Wert des Kaltverfestigungsexponenten n steigt allmählich an, das Streckgrenzenverhältnis nimmt allmählich ab, die Dehnung des Materials nimmt stark zu und die Zugfestigkeit steigt leicht an. Nach der Wärmebehandlung waren die Streckgrenzenverhältnisse der drei Magnesiumlegierungen deutlich niedriger als die der unbehandelten. Das Streckgrenzenverhältnis der Kombination aus Glühen + Kryobehandlung + Alterungsbehandlung wurde auf etwa 0,57 reduziert und die gleichmäßige Verformungsfähigkeit des Materials wurde deutlich verbessert.
2.3 SEM- und TEM-Analyse
Die zweite Phase der AZ-Magnesiumlegierung besteht hauptsächlich aus β-Mg17Al12. Aufgrund des unterschiedlichen Al-Gehalts ist auch die Anzahl der Ausscheidungsphasen nach der Wärmebehandlung unterschiedlich. Unter anderem nimmt die Anzahl der Ausscheidungsphasen in der Magnesiumlegierung AZ91 nach der Verbundwärmebehandlung deutlich zu. Abbildung 5 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild der Magnesiumlegierung AZ91D nach der Verbundwärmebehandlung. Es ist zu erkennen, dass die β-Phase in der AZ91-Magnesiumlegierungsmatrix hauptsächlich in Form von Flocken oder Kugeln mit einer Dicke von etwa 250 nm verteilt ist. Abbildung 6 zeigt die TEM-Mikrostrukturbilder der Magnesiumlegierungen AZ31 und AZ61. Laut TEM-Beobachtung werden die Partikel der zweiten Phase nach dem Glühen + der kryogenen Behandlung + der Alterungsbehandlung in zwei Formen ausgefällt: intragranulare Ausfällung und Korngrenzenausfällung, wobei intragranulare Ausfällung die Hauptausfällungsmethode ist. Es gibt keine offensichtliche Grenze zwischen der intragranularen Niederschlagsphase und der Matrixphase und es ist gleichmäßig in der Matrix α-Mg verteilt; Die Korngrenzen-Ausscheidungsphase ist relativ grob und es gibt eine klare Grenze zwischen ihr und der Matrix. Aus Abb. 6c ist ersichtlich, dass nach der kryogenen Behandlung eine Versetzungspackung in der Nähe der Korngrenze auftritt. Abbildung 6d ist das Kalibrierungsergebnis des Beugungsflecks der ausgefällten Partikel und es wird festgestellt, dass die ausgefällte Phase β-Mg17Al12 ist. Intragranulare Ausfällungen können die Rolle der Fixierung von Versetzungen spielen, die Ansammlungsrate von Versetzungen an Korngrenzen verlangsamen, wenn das Material verformt wird, die Speicherkapazität von Versetzungen innerhalb des Materials verbessern und es dem Material ermöglichen, mehr Gleitsysteme zu aktivieren. Die Verteilung der feinen Dispersion im Inneren der Körner verbessert die Gleichmäßigkeit der Materialverformung, was der Hauptgrund für die starke Zunahme der Dehnung ist.
Abb.5 Zweite Phase und EDS-Analyse der Magnesiumlegierung AZ91D
(a) AZ31-Magnesiumlegierung (b) AZ61-Magnesiumlegierung (c) AZ31-Magnesiumlegierung (d) Punktkalibrierung der Partikelbeugung in der zweiten Phase
Abb.6 TEM-Bild und Beugungspunktkalibrierung von Partikeln der zweiten Phase
Es wird allgemein angenommen, dass AZ-basierte Magnesiumlegierungen mit hohem Al-Gehalt, wie z. B. AZ61-Magnesiumlegierungen, anfälliger für Ausscheidungsphasen sind, aber durch die Verbundwärmebehandlungsmethode werden AZ31-Magnesiumlegierungen mit niedrigem Al-Gehalt auch eine kleine Menge sekundärer Phasen ausscheiden, wodurch die Eigenschaften von Magnesiumlegierungen verbessert werden.
3. Fazit
(1) Nach der kryogenen Behandlung wird im Inneren des Materials eine große Temperaturspannung erzeugt, und die Spannung wird konzentriert, wodurch sich die Körner verformen oder drehen, die Struktur verfeinert wird, die größeren Körner in feine Körner zerbrochen werden und Zwillingskristalle entstehen. Die Kornfeinheit der Magnesiumlegierung AZ31 beträgt 47,8 %; die Kornfeinheit der Magnesiumlegierung AZ61 beträgt 36,1 %; Die Kornfeinheit der Magnesiumlegierung AZ91D beträgt 20,8 %.
(2) Die Hauptverfestigungsmechanismen von Magnesiumlegierungen im Walzzustand sind die Kornverfeinerung und die Versetzungsverstärkung. Der Wert des Kaltverfestigungsindex n ist groß, aber auch das Streckgrenzenverhältnis ist groß, was zu einer geringen Materialdehnung führt; Der Verstärkungsmechanismus ist die Festlösungsverstärkung. Mit zunehmender Niederschlagsphase trat allmählich die Wirkung der Niederschlagsphase auf. Der Wert des Kaltverfestigungsexponenten n steigt allmählich an, das Streckgrenzenverhältnis nimmt allmählich ab, die Dehnung des Materials nimmt stark zu und auch die Zugfestigkeit nimmt zu, was die gleichmäßige Verformungsfähigkeit von Magnesiumlegierungen effektiv verbessert.
(3) Die Magnesiumlegierung nimmt eine Verbundwärmebehandlung an, und eine große Anzahl fein dispergierter und ausgefällter Partikel der zweiten Phase im Korn begünstigt die Aktivierung von mehr Gleitsystemen, was die Formbarkeit der Magnesiumlegierung erheblich verbessert. Unter diesen unterscheidet sich die Festigkeit nicht wesentlich von der vor der Behandlung, und die Dehnung der AZ31-Magnesiumlegierung ist im Vergleich zu der vor der Behandlung um das 2,5-fache erhöht; die Dehnung der Magnesiumlegierung AZ61 wird um das Vierfache erhöht; Die Dehnung der Magnesiumlegierung AZ91D wird um das Dreifache erhöht.
Zitierformat: Zhang Ju, Hu Xiaodong, Zhao Hongyang, et al. Verbundwärmebehandlung von Magnesiumlegierungen und ihr Festigkeits- und Zähigkeitsmechanismus [J]. Spezialguss und Nichteisenlegierungen, 2022, 42(1): 64-68.
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